协同移动边缘计算分层资源配置机制

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021060901

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (8): 2501-2510.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021060901

协同移动边缘计算分层资源配置机制

王界钦, 林士飏(), 彭世明, 贾硕, 杨苗会

山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255000

收稿日期:2021-06-03 修回日期:2021-09-14 接受日期:2021-09-24 发布日期:2021-12-27 出版日期:2022-08-10
通讯作者: 林士飏
作者简介:王界钦（1997—），男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：移动/多接入边缘计算、任务卸载；
林士飏（1979—），男，台湾新北人，副教授，博士，主要研究方向：移动/多接入边缘计算、5G NR-V2X通信；
彭世明（1997—），男，福建厦门人，硕士研究生，主要研究方向：移动/多接入边缘计算、任务卸载；
贾硕（1999—），男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向：移动/多接入边缘计算；
杨苗会（1998—），女，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向：移动/多接入边缘计算。

Hierarchical resource allocation mechanism of cooperative mobile edge computing

Jieqin WANG, Shihyang LIN(), Shiming PENG, Shuo JIA, Miaohui YANG

School of Transportation and Vehicle Engineering，Shandong University of Technology，Zibo Shandong 255000，China

Received:2021-06-03 Revised:2021-09-14 Accepted:2021-09-24 Online:2021-12-27 Published:2022-08-10
Contact: Shihyang LIN
About author:WANG Jieqin， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include mobile/multi-access edge computing， task offloading.
LIN Shihyang， born in 1979， Ph. D.， associate professor. His research interests include mobile/multi-access edge computing， 5G NR-V2X communications.
PENG Shiming， born in 1997， M. S. candidate. His research interests include mobile/multi-access edge computing， task offloading.
JIA Shuo， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include mobile/multi-access edge computing.
YANG Miaohui， born in 1998， M. S. candidate. Her research interests include mobile/multi-access edge computing.

摘要/Abstract

摘要：

针对车联网（IoV）中存在大量的车辆卸载任务计算需求，而本地端边缘服务器运算能力有限的问题，提出一种移动边缘计算分层协同资源配置机制（HRAM）。所提算法以多层式的架构合理分配与有效利用移动边缘计算（MEC）服务器的运算资源，减少不同MEC服务器之间的数据多跳转发时延，并优化卸载任务请求时延。首先构建IoV边缘计算系统模型、通信模型、决策模型和计算模型；然后利用层次分析法（AHP）进行多因素综合考虑以确定卸载任务迁移的目标服务器；最后提出动态权值的任务路由策略，调用整体网络的通信能力以缩短卸载任务的请求时延。仿真实验结果表明，HRAM算法相较于任务卸载单层式资源分配（RATAOS）算法和任务卸载多层式资源分配（RATOM）算法，分别降低了40.16%和19.01%的卸载任务请求时延；且所提算法在满足卸载任务最大可容忍时延的前提下，能够满足更多卸载任务的计算需求。

关键词: 移动边缘计算, 车联网, 任务卸载, 资源配置, 多跳转发

Abstract:

Concerning the large number of computing needs of vehicle task offloading and the limited computing capacity of local edge servers in the Internet of Vehicles （IoV）， a Hierarchical Resource Allocation Mechanism of cooperative mobile edge computing （HRAM） was proposed. In this algorithm， the computing resources of Mobile Edge Computing （MEC） servers were reasonably allocated and effectively utilized with a multi-layer architecture，so that the data multi-hop forwarding delay between different MEC servers was reduced， and the delay of task offloading requests was optimized. Firstly， the system model， communication model， decision model， and calculation model of the IoV edge computing were built. Next， the Analytic Hierarchy Process （AHP） was used to comprehensively consider multiple factors to determine the target server the offloaded task transferred to. Finally， a task routing strategy with dynamic weights was proposed to make use of communication capabilities of the overall network to shorten the request delay of task offloading. Simulation results show that compared with Resource Allocation of Task Offloading in Single-hop （RATOS） algorithm and Resource Allocation of Task Offloading in Multi-hop （RATOM） algorithm， HRAM algorithm reduces the request delay of task offloading by 40.16% and 19.01% respectively， and this algorithm can satisfy the computing needs of more offloaded tasks under the premise of meeting the maximum tolerable delay.

Key words: Mobile Edge Computing (MEC), Internet of Vehicles (IoV), task offloading, resource allocation, multi-hop forwarding

中图分类号:

TN929.5

王界钦, 林士飏, 彭世明, 贾硕, 杨苗会. 协同移动边缘计算分层资源配置机制[J]. 计算机应用, 2022, 42(8): 2501-2510.

Jieqin WANG, Shihyang LIN, Shiming PENG, Shuo JIA, Miaohui YANG. Hierarchical resource allocation mechanism of cooperative mobile edge computing[J]. Journal of Computer Applications, 2022, 42(8): 2501-2510.

图/表 12

图1 交通情景

Fig. 1 Traffic scenario

表1 参数名及意义说明

Tab. 1 Parameter names and meanings

参数名	意义
J	特定频段的聚合载波数
$v L a y e r s (j)$	最大层数
$Q m (j)$	最大调制阶数
$f (j)$	扩展系数
$R m a x$	948/1 024
$N P R B B W (j), u$	载波带宽内的最大资源块数
$T s u$	子帧平均正交频分复用符号长
$O H (j)$	开销

表1 参数名及意义说明

Tab. 1 Parameter names and meanings

参数名	意义
J	特定频段的聚合载波数
$v L a y e r s (j)$	最大层数
$Q m (j)$	最大调制阶数
$f (j)$	扩展系数
$R m a x$	948/1 024
$N P R B B W (j), u$	载波带宽内的最大资源块数
$T s u$	子帧平均正交频分复用符号长
$O H (j)$	开销

图2 层次分析法结构模型

Fig. 2 Analytic hierarchy process structure model

表2 判断矩阵

Tab. 2 Judgment matrix

因素	对比因素的重要程度关系
因素	$r n, m l o a d$	$T i, j r e s p o n s e$	$ρ i, j v$	$c o n s n, m$
$r n, m l o a d$	1	1/2	3	5
$T i, j r e s p o n s e$	2	1	5	6
$ρ i, j v$	1/3	1/5	1	2
$c o n s n, m$	1/5	1/6	1/2	1

表2 判断矩阵

Tab. 2 Judgment matrix

因素	对比因素的重要程度关系
因素	$r n, m l o a d$	$T i, j r e s p o n s e$	$ρ i, j v$	$c o n s n, m$
$r n, m l o a d$	1	1/2	3	5
$T i, j r e s p o n s e$	2	1	5	6
$ρ i, j v$	1/3	1/5	1	2
$c o n s n, m$	1/5	1/6	1/2	1

图3 HRAM算法示意图

Fig. 3 Schematic diagram of HARM algorithm

表3 参数配置

Tab. 3 Parameter configuration

名称	值	含义
N_MEC	21	MEC服务器数量
f_c	2.8 GHz	MEC服务器CPU周期频率
R	1 km	通信范围
V_uplink	（309.1~ 618.1） Mb/s	上行链路传输速率
$r f'$	2×10⁸ m/s	MEC服务器间理想传播速率
VUs	｛5，6，…，10｝	请求任务卸载车辆数
Task_i	｛1，2，…，9，10｝	单车辆卸载任务数
size	（400~500） Kb	卸载任务数据量
per	100 cycles/bit	单位bit所需CPU周期数
T_max	0.5 s	卸载任务最大可容忍时延

表3 参数配置

Tab. 3 Parameter configuration

名称	值	含义
N_MEC	21	MEC服务器数量
f_c	2.8 GHz	MEC服务器CPU周期频率
R	1 km	通信范围
V_uplink	（309.1~ 618.1） Mb/s	上行链路传输速率
$r f'$	2×10⁸ m/s	MEC服务器间理想传播速率
VUs	｛5，6，…，10｝	请求任务卸载车辆数
Task_i	｛1，2，…，9，10｝	单车辆卸载任务数
size	（400~500） Kb	卸载任务数据量
per	100 cycles/bit	单位bit所需CPU周期数
T_max	0.5 s	卸载任务最大可容忍时延

图4 MEC服务器部署示意图

Fig. 4 Schematic diagram of MEC server deployment

图5 转发路径选择

Fig. 5 Forwarding path selection

图6 服务能力对卸载任务平均处理时延、转发时延的影响

Fig. 6 Influence of service capability on average processing delay and forwarding delay of offloading tasks

图7 服务能力对卸载任务平均时延的影响

Fig. 7 Influence of service capability on average delay of offloading tasks

图8 卸载任务请求总时延

Fig. 8 Total delay of offloading task requests

图9 卸载成功率

Fig. 9 Offloading success rate

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Hierarchical resource allocation mechanism of cooperative mobile edge computing

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